II. Минеральные вещества

II.1. Биологическая роль минеральных веществ

Биологическая роль минеральных веществ многообразна. Все минеральные вещества участвуют в биологических процессах только в ионном виде.

Они входят в состав клеточных структур. Особенно много их в тканях костей и зубов. Основную массу минеральных веществ костной ткани составляет фосфорнокислый кальций, несколько меньше в ней углекислого кальция, в небольших количествах со­держатся ионы магния, калия, натрия, хлора, фтора.

Ионы металлов участвуют в формировании третичной и четвер­тичной структуры биополимеров. Наиболее фундаментальный механизм участия минеральных соединений в процессах жизнедеятельности связан прежде всего с их способностью соединяться с высокомолекулярными веществами - белками и нуклеиновыми кислотами. В результате взаимодействия ионы металлов наряду с другими факторами обеспечивают поддержание определенной пространственной конфигура­ции биополимеров. Таким образом, нормальное осу­ществление белками ферментативной, гормональной и других функций, беспрепятственная реализация информации, заключенной в нуклеиновых кислотах, образование надмолекулярных комплексов, формирование субклеточных частиц и т. п. невозможно без участия катионов и анионов.

Так, ионы цинка участвуют в создании активной формы гормона инсулина; при участии ионов железа формирует­ся третичная и четвертичная структуры гемоглобина и миоглобина; ионы магния способствуют объединению нескольких рибосом в полисому в ходе белкового синтеза; ионы железа, меди, никеля, цинка, марганца, кобальта участвуют в образовании структуры нуклеиновых кислот.

Минеральные вещества участвуют в ферментативном катализе. Дейст­вие более четвертой части известных в настоящее время ферментов тем или иным образом связано с ионами металлов. Ионы участвуют в химическом связывании субстрата, присоединении кофермента к апоферменту, входят в состав коферментов. Примерами регуляции ферментативной активности могут служить активация амилазы ионами хлора, креатинфосфокиназы - ионами кальция, ферментов гликолиза - ионами кальция, калия и магния. С помощью магния происходит связывание АТФ в активном центре фермента, катализирующего ее гидролиз. Ионы цинка обнаружены в активном центре карбоксипептидазы. Ион железа является важнейшей составной частью простетической группы цитохромов, содержащих одновременно и ионы меди. Ионы железа в молекулах миоглобина и гемоглобина способны обратимо присоединять к себе кислород и некоторые другие газы и, таким образом, участвуют в их транспорте.

В большинстве случаев ионы металлов вступают в непрочную связь с апоферментом, образуя с ним легко распадающийся комплекс. В виде комплекса с металлом фермент проявляет максимальную активность, приобретая соответствующую пространственную конфигурацию. Таким образом, здесь ионы металлов выступают как организаторы третичной структуры фермента, в частнос­ти как организаторы активных центров ферментов. Именно так обстоит дело при взаимодействии ионов одновалентных металлов более чем с 60 и ионов цинка более чем с 30 ферментами животного, растительного и бактериального происхождения. Велика роль отдельных катионов в формировании ферментов-мультимеров, где связь между отдельны­ми протомерами осуществляется при участии ионов металлов. К числу таких катионов относятся Мg²⁺, Мn²⁺, Zn²⁺, Са²⁺ и др. Особенно подроб­но в указанном смысле изучена α-амилаза. В присутствии ионов Са стаби­лизируются третичная и четвертичная структуры этого фермента, устой­чивые по отношению к пептидгидролазам желудочно-кишечного тракта.

Гораздо реже ионы металлов образуют с белком-ферментом проч­ное соединение. Так, например, осуществляется соединение ионов Сu и Fе в железосерных белках и синих оксидазах.

Достаточно широко распространено участие ионов металлов в дей­ствии ферментов путем вступления ионов металлов в состав простетической группы ферментов (цитохромы).

В табл. 6 приведены некоторые данные об активировании катиона­ми металлов некоторых ферментативных процессов.

Проницаемость клеточных мембран в значительной мере зави­сит от состояния белковых гелей. Ионы кальция могут влиять на нее, изменяя степень уплотнения коллоидов. Уровень гидратации и растворимости белковых коллоидов в цитоплазме определяется влиянием многих ионов.

Неодинаковая проницаемость клеточных мембран для ионов натрия и калия приводит к возникновению мембранного потенци­ала, необходимого для генерации и проведения возбуждения.

Анионы сульфата участвуют в обезвреживании биологических ядов в печени.

Таблица 6. Ферменты, активируемые катионами металлов.

Класс ферментов	Наименование ферментов	Ионы металлов, активирующие фермент
I. Оксидоредуктазы	Аскорбатоксидаза Полифенолоксидаза Ксантиноксидаза	Сu Сu Мо
II. Трансферазы	Ацетилтрансфераза Гексокиназа Аминоацилтрансфераза	Мg, К Мg, Мn Мn
III. Гидролазы	Аргиназа Аденозинтрифосфатаза Карбоксипептидаза Фосфатаза	Мg, Со Мn Zn Со
IV. Лиазы	Альдолаза Карбоксилаза	Zn, Со Мn, Сu, Zn, Со
V. Лигазы	Аминоацил-тРНК-синтетаза Ацил-КоА-синтетаза	Мg Мg
VI. Изомеразы	Фосфоглюкомутаза	Мn, Со

Велика роль ионов в поддержании осмотического равно­весия в жидкостях организма. Наибольшее влияние на величину осмотического давления оказывает концентрация ионов натрия и хлора вне клеток, калия и хлора - внутри них. Одним из важнейших биохимических про­цессов, направленных на сохранение кислотно-щелочного равнове­сия организма, является буферное действие. В образовании буфер­ных систем принимает участие ряд минеральных веществ: бикарбонаты и фосфаты, соли аммония, а также натриевые и калиевые соли органических кислот и белков.

При рассмотрении биологической роли ионов нетрудно заме­тить, что в действии некоторых из них наблюдается своеобразный антагонизм и синергизм. Так, ионы натрия вызывают набухание коллоидов и задержку воды в тканях, ионы кальция оказывают обратное дей­ствие, приводящее к обезвоживанию; ионы натрия активируют фермент холинэстеразу, ионы калия ингибируют его и т. п. В ряде случаев ионы усиливают действие друг друга: ионы марганца и железа способствуют использованию кобальта в процессах крове­творения; ионы кальция и фосфора активнее усваиваются организ­мом, если поступают одновременно и в оптимальных соотношени­ях (1:2).

Влияние минеральных веществ на обмен веществ.

Благодаря тому, что минеральные соединения тесно связаны с фер­ментативными реакциями, они практически влияют на все стороны обмена веществ. Рассмотрим конкретно, в чем выражается зависи­мость обмена нуклеиновых кислот, белков, углеводов и липидов от со­держания тех или иных катионов и анионов.

Минеральные соединения и обмен нуклеиновых кислот. Ряд катио­нов принимает непосредственное участие в поддержании вторичной и третичной структур ДНК и РНК. В частности, эта функция приписыва­ется ионам Fе, Сu, Мn, Zn, Со и Ni, обнаруженным в чистейших препаратах ДНК и РНК. В присутствии некоторых из перечисленных катио­нов повышается температура плавления нуклеиновых кислот, что сви­детельствует о более высокой стабильности их молекул. Аналогично этому ионы металлов принимают участие в строении нуклеопротеинов, связывая молекулы белков и нуклеиновых кислот.

Почти все ферменты, ускоряющие реакции распада и синтеза нукле­иновых кислот, нуклеотидов, нуклеозидов, пуриновых и пиримидиновых оснований, активируются ионами металлов. Особенно велика роль ионов Мg: он активирует ДНК и РНК-полимеразы, нуклеотидазу, РНКазу, ДНКазу и ряд других ферментов нук­леинового обмена. Ионы Са и Ва увеличивают, а ионы Zn уменьшают ак­тивность РНКазы. Распад ДНК под действием ДНКазы повышается в присутствии ионов Мn Са, Fе.

При отсутствии бора сильно тор­мозится новообразование нуклеиновых кислот и усиливается их распад вследствие повышения активности РНКазы. Влия­ние бора на обмен нуклеиновых кислот связано с его участием в окисли­тельном фосфорилировании и синтезе нуклеозидтрифосфатов - исход­ных соединений для биосинтеза нуклеиновых кислот.

Роль минеральных элементов в обмене белков. Распад и синтез бел­ковых тел в значительной степени зависят от ряда минеральных веществ. Ионы Мn, Fе, Zn, Со и Ni повышают активность пептидгидролаз и аргиназы, т. е. участвуют в деструкции белков. Биосинтез белков идет при непосредственном участии ионов К, Мg и Мn. Первый и второй не­обходимы для поддержания рибосом в функционально-активном состо­янии. Третий обеспечивает осуществление пептидилтрансферазной реакции при сборке полипептидной цепи.

Велика роль минеральных элементов в обмене аминокислот: ионы Со участвуют в биосинтезе метионина, Мg и Мn - в реакциях обмена ами­нокислот, связанных с переносом одноуглеродных фрагментов (синтез серина из глицина, цитруллина - из орнитина и карбамоилфосфата и др.), Fе - в реакциях превращения фенилаланина в тирозин и т. д.

Участие минеральных соединений в обмене углеводов и липидов. Различные катионы принимают активное участие в распаде и синтезе как непосредственно углеводов и липидов, так и продуктов их деструк­ции, претерпевающих окончательное разрушение в цикле дикарбоновых и трикарбоновых кислот.

Центральным элементом в гликолитическом процессе являются ионы Мg: они активируют большинство ферментов гликолиза. В ряде случаев (гексокиназная реакция, переход от 1,3-дифосфоглицериновой кислоты к 3-фосфоглицериновой кислоте и от 2-фосфоглицериновой кислоты к фосфоенолпировиноградной кислоте) они могут быть заменены ионами Мn. Одна из самых существенных реакций в гликолизе - окисление 3-фосфоглицеринового альдегида протекает при участии ионов Zn. В присутствии ионов Са стаби­лизируются третичная и четвертичная структуры фермента амилазы, повышая его устой­чивость по отношению к пептидгидролазам желудочно-кишечного тракта. Новообразование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без участия ионов магния (со­ставная часть хлорофилла), марганца (участвуют в фотосинтетическом фосфорилировании) и железа (необходимы для биосинтеза хлорофил­ла).

Распад липидов, как простых, так и сложных, активируется ионами Са, так как этот катион положительно влияет на деятельность липазы, фосфолипазы и липопротеинлипазы. Окисление ацил-КоА идет более энергично в присутствии ионов Сu и Fе. При синтезе ацетил-КоА, фосфохолина и холинфосфатидов необходимы ионы Мg.

Заключительный этап аэробного распада углеводов и липидов при посредстве цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот (дыхание) осуществляется при активном участии ионов Мn и Мg, которые активируют почти все ферменты цикла Кребса, в некоторых реакциях участвуют ионы Со и Zn.